Né à Copenhague, Bohr entre en 1912 au laboratoire de Rutherford à Manchester. La théorie de Bohr sur la structure atomique, pour laquelle il recevra le prix Nobel de physique en 1922, est publiée entre 1913 et 1915. Son travail s'inspire du modèle de l'atome de Rutherford, dans lequel l'atome est considéré comme formé d'un noyau compact entouré d'un essaim d'électrons. Le modèle atomique de Bohr utilise la théorie quantique et la constante de Planck (le rapport entre la taille du quantum et la fréquence du rayonnement). Le modèle pose en principe que l'atome n'émet de rayonnement électromagnétique que lorsqu'un électron transite d'un niveau quantique à un autre. Ce modèle a contribué énormément aux développements ultérieurs de la physique atomique théorique.

En 1916, Bohr rejoint l'université de Copenhague pour y travailler comme professeur de physique et, en 1920, il devient directeur de l'Institut de physique théorique nouvellement créé à l'université. Cet institut deviendra, jusqu'à la Seconde Guerre mondiale, le centre d'une activité théorique remarquable et verra naître les développements les plus féconds de la théorie quantique. Pour lever un certain nombre de difficultés de cette théorie, Bohr élabore plusieurs principes. Le principe dit de correspondance permet d'établir un passage entre la physique classique et la physique quantique. Le principe dit de complémentarité vise à dépasser l'impossible description simultanée des objets quantiques comme étant des ondes et des particules. Les travaux de Bohr conduisent au développement du concept selon lequel les électrons sont répartis par couches et les propriétés chimiques d'un atome sont déterminées par les seuls électrons situés dans la couche périphérique. En 1939, il se rend compte de l'importance des expériences de fission menées par les savants allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann. Aux États-Unis, lors d'une conférence, il convainc les physiciens de l'importance de ces expériences. Il démontre plus tard que l'uranium-235 est l'isotope de l'uranium qui subit la fission nucléaire. Il retourne alors au Danemark, où il est forcé de rester après l'occupation allemande du pays en 1940. Il finit cependant par s'enfuir aux États-Unis, où il participe à la réalisation de la première bombe atomique (projet Manhattan), à Los Alamos (Nouveau-Mexique). Il s'opposera cependant au caractère secret de ce projet, redoutant les conséquences potentiellement négatives de ce développement inquiétant.

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